Λύσεις — Κεφάλαιο 3: Αισθητήρες (σελ. 18-29) – ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις — Κεφάλαιο 3: Αισθητήρες
Αυτούσια αποσπάσματα του βιβλίου με ερωτηματική κατάληξη — βασικά χαρακτηριστικά και τα πέντε είδη αισθητήρων (θερμοκρασίας, οπτικοί, μετατόπισης-κίνησης, πίεσης-βάρους, στάθμης-όγκου).
Τα βασικά χαρακτηριστικά των αισθητήρων
Ερώτηση: Τα κοινά βασικά χαρακτηριστικά των αισθητήρων είναι η γραμμικότητα, η ευαισθησία, η διακριτική ικανότητα, η ακρίβεια και το εύρος τιμών εισόδου και εξόδου. Πώς ορίζεται η «ευαισθησία» (sensitivity) ενός αισθητήρα;
Απάντηση:
- Ευαισθησία. «Η “ευαισθησία” (sensitivity) εκφράζει το πόσο υψηλό σήμα εξόδου αποδίδει ο αισθητήρας για κάθε μονάδα του μετρούμενου φυσικού μεγέθους»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ευαισθησία εκφράζει το πόσο υψηλό σήμα εξόδου αποδίδει ο αισθητήρας για κάθε μονάδα του μετρούμενου φυσικού μεγέθους.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η απάντηση δίνεται αμέσως μετά τον κατάλογο χαρακτηριστικών
Ιδιότητες μέτρησης θερμοκρασίας
Ερώτηση: Τα θερμόμετρα στηρίζονται στην αλλαγή της χαρακτηριστικής ιδιότητας του επιλεγμένου υλικού τους, εξαιτίας της μεταβολής της θερμοκρασίας. Ονομάστε τρεις από τις ιδιότητες που μπορούν να αξιοποιηθούν για τη μέτρηση της θερμοκρασίας.
Απάντηση:
- Οι 5 ιδιότητες. «1. Η γραμμική διαστολή ενός υγρού. 2. Η γραμμική διαστολή ενός μετάλλου. 3. Η ηλεκτρική αντίσταση ενός μετάλλου. 4. Το φαινόμενο του θερμοηλεκτρισμού (ή “θερμοηλεκτρικό φαινόμενο”). 5. Η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα θερμό σώμα.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τρεις ενδεικτικές: γραμμική διαστολή υγρού, γραμμική διαστολή μετάλλου, ηλεκτρική αντίσταση μετάλλου (δεκτές και: θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, θερμική ακτινοβολία).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η λίστα έχει 5 στοιχεία, αρίθμηση 1-5
Το θερμοζεύγος
Ερώτηση: Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη ή “θερμοζεύγη” (thermocouples) αποτελούν ένα εξαιρετικά διαδεδομένο είδος ανιχνευτών θερμοκρασίας υψηλής ακρίβειας και χαμηλού κόστους. Πώς παράγεται τάση σε ένα θερμοζεύγος και πώς σχετίζεται αυτή η τάση με τη θερμοκρασία;
Απάντηση:
- Λειτουργία. «Αποτελούνται από δύο σύρματα διαφορετικών μετάλλων, τα οποία είναι ενωμένα σε δύο σημεία. Η ένωση αυτή, όταν θερμανθεί, παράγει μία μικρή τάση και ένα σχετικό προς αυτή ρεύμα. Η αναπτυσσόμενη τάση είναι ευθέως ανάλογη προς τη θερμοκρασία της ένωσης.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το θερμοζεύγος αποτελείται από δύο σύρματα διαφορετικών μετάλλων ενωμένα σε δύο σημεία· όταν η ένωση θερμανθεί, παράγεται τάση ευθέως ανάλογη της θερμοκρασίας της ένωσης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η αναλογία τάσης-θερμοκρασίας δίνεται στην τελευταία πρόταση
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των θερμίστορς
Ερώτηση: Η αντίστασή τους μεταβάλλεται ισχυρά με τη θερμοκρασία, έχουν όμως υψηλά όρια ανοχής, με αποτέλεσμα οι μετρήσεις της θερμοκρασίας να μην έχουν την ακρίβεια των άλλων μεθόδων. Ποιο πλεονέκτημα προσφέρει, αντίθετα, η ισχυρή μεταβολή της αντίστασης των θερμίστορς;
Απάντηση:
- Πλεονέκτημα. «Από την άλλη μεριά, η ισχυρή μεταβολή της αντίστασης επιτρέπει τη χρήση των θερμίστορς και ως διακοπτών ή περιοριστών ρεύματος.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ισχυρή μεταβολή της αντίστασης επιτρέπει τη χρήση των θερμίστορς και ως διακοπτών ή περιοριστών ρεύματος, παρά τη χαμηλότερη ακρίβεια στη μέτρηση θερμοκρασίας.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η απάντηση αρχίζει με «Από την άλλη μεριά»
Λειτουργία φωτοαντιστάσεων
Ερώτηση: Στις φωτοαντιστάσεις, η μεταβολή του φωτός μεταβάλλει ανάλογα και την τιμή της αντίστασης του υλικού του αισθητήρα. Τι συμβαίνει στα ελεύθερα ηλεκτρόνια ενός φωτοαγώγιμου υλικού όταν προσπίπτει φως, και πώς επηρεάζεται η αντίστασή του;
Απάντηση:
- Μηχανισμός. «Όταν προσπίπτει φως σε ένα φωτοαγώγιμο υλικό, αυξάνεται ο αριθμός των ελευθέρων ηλεκτρονίων του. Αυτό γίνεται, επειδή τα προσπίπτοντα φωτόνια διεγείρουν τα ηλεκτρόνια που είναι δεσμευμένα και τα καθιστούν ελεύθερα. Έτσι, η αντίσταση του φωτοαγώγιμου υλικού μειώνεται.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Όταν προσπίπτει φως, τα φωτόνια διεγείρουν δεσμευμένα ηλεκτρόνια και τα καθιστούν ελεύθερα· έτσι αυξάνονται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας και η αντίσταση του υλικού μειώνεται.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η αιτιολόγηση δίνεται με «Αυτό γίνεται, επειδή...»
Φωτοδίοδοι και φωτοτρανζίστορ
Ερώτηση: Οι “φωτοδίοδοι” και τα “φωτοτρανζίστορ” αποτελούν τα βασικά είδη φωτοβολταϊκών ανιχνευτών. Αυτά δημιουργούν ρεύμα, που ονομάζεται “φωτόρευμα”, (photocurrent) και είναι ανάλογο της προσπίπτουσας φωτεινής έντασης. Ποια είναι η βασική διαφορά ανάμεσα σε φωτοδιόδους και φωτοτρανζίστορ;
Απάντηση:
- Διαφορά. «Τα φωτοτρανζίστορ είναι, στην ουσία, φωτοδίοδοι που, επιπρόσθετα, ενισχύουν το δημιουργούμενο ρεύμα και, έτσι, η αρχή λειτουργίας τους είναι ίδια με αυτήν των φωτοδιόδων.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα φωτοτρανζίστορ είναι ουσιαστικά φωτοδίοδοι που επιπλέον ενισχύουν το παραγόμενο ρεύμα, ενώ η βασική αρχή λειτουργίας τους παραμένει ίδια με των φωτοδιόδων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η διαφορά αφορά την ενίσχυση του ρεύματος
Μεγέθη ανίχνευσης κίνησης
Ερώτηση: Ανάλογα, επομένως, με τη φύση της εφαρμογής μας πρέπει να χρησιμοποιήσουμε αισθητήρες, που να ανιχνεύουν κάποιο από τα ακόλουθα μεγέθη: Ποια είναι αυτά τα τέσσερα μεγέθη που αναφέρει το βιβλίο;
Απάντηση:
- Τα 4 μεγέθη. «• Θέση • Προσέγγιση • Μετατόπιση (ευθύγραμμη ή περιστροφική) • Ταχύτητα ή επιτάχυνση»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα τέσσερα μεγέθη είναι: θέση, προσέγγιση, μετατόπιση (ευθύγραμμη ή περιστροφική) και ταχύτητα ή επιτάχυνση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η λίστα ακολουθεί αμέσως μετά την εκφώνηση, με κουκκίδες
Η ανίχνευση της προσέγγισης
Ερώτηση: Η ανίχνευση της προσέγγισης δίνει δύο δυνατά αποτελέσματα (ΝΑΙ και ΟΧΙ) και είναι απλούστερη από την ανίχνευση θέσης. Γιατί είναι πιο απλή η ανίχνευση προσέγγισης σε σχέση με την ανίχνευση θέσης;
Απάντηση:
- Σύγκριση. «η οποία πρέπει να δίνει ως αποτελέσματα συνεχείς αριθμητικές τιμές (σε χιλιοστόμετρα ή μοίρες).»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ανίχνευση προσέγγισης δίνει μόνο δύο δυνατά αποτελέσματα (ΝΑΙ/ΟΧΙ), ενώ η ανίχνευση θέσης πρέπει να δίνει συνεχείς αριθμητικές τιμές (σε χιλιοστόμετρα ή μοίρες) — άρα είναι πιο απλή.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η αιτιολογία αφορά τη φύση των αποτελεσμάτων (διακριτά vs συνεχή)
Το επιταχυνσιόμετρο
Ερώτηση: Τα επιταχυνσιόμετρα είναι αισθητήρες που ανιχνεύουν επιταχύνσεις και, επιπρόσθετα, δονήσεις και κρούσεις. Διαθέτουν μία μάζα m, που τείνει να κινηθεί αντίθετα από την κατεύθυνση της επιτάχυνσης. Πώς ονομάζεται αυτή η μάζα και με ποιους δύο τρόπους αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικού σήματος;
Απάντηση:
- Σεισμική μάζα. «η οποία ονομάζεται και “σεισμική μάζα”. Υπάρχουν δύο τρόποι αξιοποίησης του φαινομένου αυτού για την παραγωγή ενός ανάλογου ηλεκτρικού σήματος εξόδου: στον πρώτο, η σεισμική μάζα πιέζει έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο και στον δεύτερο τρόπο, επιμηκύνει ένα ελατήριο.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μάζα ονομάζεται «σεισμική μάζα». Αξιοποιείται είτε πιέζοντας έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο είτε επιμηκύνοντας ένα ελατήριο, παράγοντας έτσι ανάλογο ηλεκτρικό σήμα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δύο τρόποι: πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος ή ελατήριο
Τα κυριότερα είδη αισθητήρων πίεσης
Ερώτηση: Τα κυριότερα είδη αισθητήρων πίεσης είναι τα ακόλουθα: Ποια είναι αυτά τα πέντε είδη;
Απάντηση:
- Τα 5 είδη. «1. Μανόμετρα υγρού και αερίου. 2. Χωρητικοί αισθητήρες. 3. Επαγωγικοί αισθητήρες. 4. Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες και αισθητήρες πιεζοαντίστασης. 5. Μετρητές μηχανικής τάσης και κυψελίδες φορτίου.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα πέντε είδη είναι: μανόμετρα υγρού και αερίου, χωρητικοί αισθητήρες, επαγωγικοί αισθητήρες, πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες/πιεζοαντίστασης, μετρητές μηχανικής τάσης και κυψελίδες φορτίου.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αριθμημένη λίστα 1-5 αμέσως μετά την εκφώνηση
Οι αισθητήρες πιεζοαντίστασης
Ερώτηση: Οι αισθητήρες αυτοί μετρούν την μεταβολή της τιμής της αντίστασης ενός μεταλλικού σύρματος, όταν αυτό πιεστεί κατά μήκος της κύριας διάστασής του. Ποιο φυσικό μέγεθος μετρούν, λοιπόν, οι αισθητήρες πιεζοαντίστασης;
Απάντηση:
- Αρχή λειτουργίας. «Οι αισθητήρες αυτοί μετρούν την μεταβολή της τιμής της αντίστασης ενός μεταλλικού σύρματος, όταν αυτό πιεστεί κατά μήκος της κύριας διάστασής του.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι αισθητήρες πιεζοαντίστασης μετρούν τη μεταβολή της αντίστασης ενός μεταλλικού σύρματος όταν αυτό πιεστεί κατά μήκος της κύριας διάστασής του.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η εκφώνηση περιέχει ήδη την απάντηση αυτολεξεί
Χωρητικοί αισθητήρες στάθμης
Ερώτηση: Οι χωρητικοί αισθητήρες στάθμης αποτελούνται από έναν κυλινδρικό πυκνωτή, στον οποίο το διάκενο μεταξύ των κυλινδρικών οπλισμών δεν περιέχει διηλεκτρικό και μπορεί να γεμίσει με υγρό, μεταβάλλοντας με τον τρόπο αυτό την χωρητικότητα του. Ποιοι άλλοι τύποι αισθητήρων θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση στάθμης υγρού;
Απάντηση:
- Εναλλακτικοί αισθητήρες. «Προκειμένου να υπολογιστεί η στάθμη ενός υγρού, θα μπορούσαν, επίσης, να χρησιμοποιηθούν και αισθητήρες θέσης, υπερήχων και βραχυκυκλώματος.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν αισθητήρες θέσης, υπερήχων και βραχυκυκλώματος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η απάντηση βρίσκεται στην τελευταία παράγραφο του κεφαλαίου
